第三章水环境化学

第三章水环境化学第一节本节内容要点：水资源和利用、地球上的水分布、水循环、天然水的组成等。

水是人类宝贵的自然资源，它关系到人类的命运、民族的身体素质。

水质的优劣影响着人类的生活、生产及健康。

可以说水是"万物之本"，是人类与生物赖以生存和发展必不可缺少的物质。

1）水资源和利用地球上水的总量是固定的，约13.86亿km3，但可利用的淡水只占水总量的0.3％。

虽然淡水资源有限，但如果时空分布得当，并保持恰当水质，还是可以满足全球目前和将来的淡水需要。

遗憾的是，地球上淡水资源的时空分布极其不均匀，加上水污染日益严重以及工农业和生活用水量的增加，许多国家和地区出现了水资源严重短缺的局面。

水的短缺和污染不仅影响了生物生存，而且直接或间接地给人类生存带来威胁和危害，同时也造成重大的经济损失。

当前主要的缺水类型有：资源型缺水、工程型缺水和水质型缺水。

由于缺水，危害了农作物生长、并影响着工业生产、威胁着人体健康和生态、国家安全。

2）地球上水的分布地球表面约有70％以上被水所覆盖，所以地球素有"水的行星"之称。

地球上的水分布在海洋、湖泊、沼泽、河流、冰川、雪地、以及大气、生物体、土壤和地层。

水的总量约为13.86亿km3(表3-1～3-2)，其中海水占96.5%，淡水为0.35亿km3，占总水量的2.35%。

由于开发困难或技术、经济的限制，到目前为止，海水、深层地下淡水、冰雪固态淡水、盐湖水等很少被直接利用。

比较容易开发利用的，与人类生活和生产关系密切的淡水储量为400多万km3，仅占淡水的11％，总水量的0.3％。

表3-1自然环境中的水量分布我国地表水径流总量约2.8万亿m3，地下水资源约8000亿m3，冰川年平均融水量约500亿m3，近海海水约500万km3。

我国目前可供利用的水资源量每年约有11000亿m3，平均每人占有地表水资源约2700m3，居世界第88位，仅为世界人均占有量的1/4。

每亩土地占有地表水1755m3，只相当于世界平均水平的1/2。

总的说来，我国淡水资源并不丰富，处于缺水状态，而且水资源的时空分布非常不均衡，东南多，西北少，耕地面积只占全国33％的长江流域和长江以南地区，水资源占全国的70％。

我国许多地方缺水或严重缺水，水污染比较严重。

另一方面，由于人口的剧增，工农业生产的迅速发展，我国和西方国家一样，也面临水质下降，水源不足的威胁。

因此，控制水体污染，保护水资源已成为刻不容缓的任务。

3）循环自然界的水不仅受地球引力作用沿着地壳倾斜方向流动，而且由于水在太阳能和地球表面热能的作用下发生形态变化，蒸发的水分随着气流运行而转移，遇冷凝结成云或以降水形式到达地面，到达地表的水又重新蒸发、凝结、降落，这个周而复始的过程，称为水循环。

仅在局部地区(陆地或海洋)完成的水的循环过程称为小循环。

自海洋蒸发的部分水汽，随气流转移至陆地上空，并以降水形式达到地面后，经过江河湖泊或渗入地下，再归入海洋，这种海洋和陆地之间水的往复运动过程，称为水的大循环。

环境中水的循环是大、小循环交织在一起的，并在全球范围内和地球上各个地区内不停地进行着。

影响水循环的作用有三个基本因素：(1)水的物理性质决定了水的循环成为可能；(2)太阳辐射是水循环的源动力；(3)循环路线的结构和性质，特别是地表循环途径的结构和性质，如地质地貌、土壤和生物等的类型和性质，它不但影响降水的分布和输送，而且还影响下渗及输水道的特性。

这些因素相互作用决定了天然水的循环方向和强度，造成了自然界错综复杂的水文现象。

蒸发、降水、径流是水循环的基本要素。

河川径流是人类用水的基本来源，它是地球上水循环较活跃的部分，世界河床蓄水量大约16d就可更换一次，因此它有很强的自净能力。

4）天然水的组成● 水体的定义在水污染化学中，水体指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川、海洋等贮水体的总称。

水体的组成不仅包括水，而且也包括其中的悬浮物质、胶体物质、溶解物质、底泥和水生生物，所以水体是个完整的生态系统，或是被水覆盖地段的自然综合体。

区分水和水体是重要的。

例如，重金属(如Pb、Cu、Cr、Zn、Cd等)污染物通过沉淀、吸附、螯合等途径，很容易从水相转移到底泥中，所以水中重金属的含量一般都不高。

如果光从水来看，似乎没有受到污染，但整个水体可能受到严重污染。

● 天然水的组成在水的自然循环中，地表径流部分水量虽然不大，但是它在自然界所起的作用十分巨大，在风化(包括物理、化学、生物风化)过程和水迁移过程中，输送了土壤中的矿物质和有机质，使天然水具有各种组分。

天然水体中除水以外，还有其他各种物质；根据它们在水中存在的状态不同，可将这些物质分为三类，即悬浮物质、胶体物质、溶解物质(见表3-3)。

在此只讨论天然水体中溶解物质的种类及其存在形态。

表3-3 天然水体的组成溶解在天然水中的物质大致可分为：主要离子、溶解气体、营养物质、微量元素和有机物质。

溶解物质在水中的含量，除与物质和性质有关外，还与气候条件、水文特征、岩石与土壤的组成等因素有关。

表3-4和表3-5分别是海水或河水中部分元素的含量及理论上可能存在的形态。

表3-4 海水中部分元素的含量及可能存在形态(1) 主要离子天然水体中的主要阳离子有Ca2+、Mg2+、Na+、K+等，主要阴离子有Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-等，这八种离子可占水中溶解固体总量的95%～99%以上。

海水中又以Na+与Cl-离子含量占优势，河水中以Ca2+、HCO3-离子含量占优势。

陆地水中下列成分的含量顺序一般为HCO3-＞SO42-＞Cl-，Ca2+＞Na+＞Mg2+，而海水中相应的含量顺序为Cl-＞SO42-＞HCO3-，Na+＞Mg2+＞Ca2+。

地下水受局部环境地质条件限制，其优势离子变化较大。

表3-5 河水中部分元素的含量及其可能存在的形态(2)微量元素微量元素是指含量在ng/mL级的元素。

天然水体中微量元素的种类很多，如As、Cd、Hg、Ni、Pb、Sb、Sn、Zn、Mn、Cu等。

微量元素多数属于重金属元素，它们在天然水中的含量及存在形式参见表3-4、3-5。

(3)营养物质营养物质是指与生物生长有关的元素，包括氮、磷、硅等非金属元素以及某些微量元素(如Mn、Fe、Cu等)。

这些元素的含量一般在mg/mL～ng/mL之间，它们存在的形态与水体酸碱性、氧化还原性有关。

氮、磷是水生生物生长和繁殖所必需的营养元素，但如果水中氮、磷含量过高，会发生"富营养化"现象。

铁是常见的一种矿物元素；地下水中的铁主要以Fe(Ⅱ)形态存在，含量可达每升几十毫克；在地表水中由于溶解氧充足，铁常以Fe(Ⅲ)价态存在。

天然水中硅主要来自硅酸盐和铝硅酸盐的水解。

(4)有机物质天然水体中有机物的种类繁多。

它们是水生植物光合作用的产物和水生动物在不同阶段分解产物的混合物。

通常将水体中有机物分为非腐殖质和腐殖质。

非腐殖质包括碳水化合物、脂肪、蛋白质、维生素及其低分子量有机物等。

水体中大部分有机物是呈褐色或黑色无定形腐殖质，它们的分子量范围为几百至几万。

通常根据腐殖质在酸、碱中溶解情况，可将腐殖质分为胡敏素(腐黑物)、腐殖酸(HA)，后者又可分为富里酸(黄腐酸、FA)和胡敏酸(腐黑物)等，如图3-1所示。

图3-1 腐殖质的分类腐殖质中除含有大量苯环外，分子中还含有羟基-OH、羧基-COOH、羰基＞O==O等活性基团，因而腐殖质具有弱酸性、离子交换性、配位化合及氧化还原等化学活性。

它能与水体中的金属离子形成稳定的水溶性或不溶性化合物，还能与有机物相互作用。

腐殖质对水体中重金属等污染物的迁移转化具有较大的影响。

(5)溶解气体一般情况下，天然水中存在的气体有氧气、二氧化碳、硫化氢、氮气和甲烷等。

它们来自大气中各种气体的溶解、水生动植物的活动、化学反应等。

海水中的气体还可来自海底火山爆发。

表3-6列出了海水中主要溶解气体的含量范围。

表3-6 海水中主要溶解气体的含量范围溶解于水中的气体以氧(O2)和二氧化碳(CO2)比较重要，它们能影响水生生物的生存和繁殖及水中物质的溶解、化合等化学和生化行为。

水中氧的输入，一是富集空气中的氧。

当水中含氧量小于其饱和含量时才能使水进行富集氧。

二是水生植物光合作用逸出的氧。

水中氧的输出部分包括有机物的氧化、有机体的呼吸和生物残骸的发酵腐烂作用等。

天然水中氧的含量一般在0～14 mg/L之间。

水中二氧化碳来源于有机体氧化分解、水生动植物的新陈代谢作用及空气中二氧化碳的溶解；消耗于碳酸盐类溶解和水生植物的光合作用。

天然水除氧、二氧化碳以外，在通气不良的条件下，有时还会有硫化氢气体存在。

水体中硫化氢气体来自厌氧条件下，含硫有机物的分解及硫酸盐的还原，而大量硫化氢则是火山喷发的产物。

由于H2S易于氧化，所以只能在缺氧条件下存在，同时空气中硫化氢分压很低，水中硫化氢容易逸出，所以地表水中硫化氢含量甚微或为零，否则就表明已遭受人为污染。

第二节本节内容要点：水体污染与自净、水体中的主要污染物、污染物在水体中的迁移转化和水污染对人体健康的影响等。

1）水体污染与自净水体污染(water body pollution)：主要是由于人类活动排放的污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体，使水和水体底泥的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值，这种现象称为水体污染。

水体自净(self-purification of water body)广义的是指受污染的水体由于物理、化学、生物等方面的作用，使污染物浓度逐渐降低，经一段时间后恢复到受污染前的状态；狭义的是指水体中微生物氧化分解有机污染物而使水质净化的作用。

影响水体净化过程的因素很多，主要有河流、湖泊、海洋等水体的地形和水文条件，水中微生物的种类和数量，水温和复氧状况，污染物的性质和浓度等。

水体自净机理包括沉淀、稀释、混合等物理过程，氧化还原、分解化合、吸附凝聚等化学和物理化学过程以及生物化学过程。

各种过程可同时发生、相互影响。

水体自净作用可分为三类：(1)物理自净。

污染物进入水体后，不溶性固体逐渐沉至水底形成污泥；悬浮物、胶体和溶解性污染物则因混合稀释而逐渐降低浓度。

(2)化学自净。

污染物进入水体后，经络合、氧化还原、沉淀反应等而得到净化。

如在一定条件下水中难溶性硫化物可以氧化为易溶性的硫酸盐。

(3)生物自净。

在生物的作用下，污染物的数量减少，浓度下降，毒性减轻、直至消失。

例如，悬浮和溶解在水体中的有机污染物，在需氧微生物作用下，氧化分解为简单、稳定的无机物，如二氧化碳、水、硝酸盐和磷酸盐等，使水体得到净化。

一般说来，物理和生物化学过程在水体自净中占主要地位。

对有机物来说，生物自净作用是最重要的。